高性能 Fe–Al@BTC 金属有机框架用于超级电容器和抗菌应用：实验、DFT 与分子对接研究

为什么这种新材料很重要

现代生活既依赖清洁能源也依赖清洁水源，但我们在高效存储电能和阻止危险微生物在环境中传播方面仍面临挑战。本研究提出了一种既廉价又能同时解决这两个问题的单一材料：一种微小、海绵状的晶体，既能像高性能超级电容器电极那样快速存储电荷，又能强效地杀灭水中的有害细菌。将能量存储与消毒结合于一种物质，指向了能够同时为社区提供电力和保护卫生的设备。

由金属和碳环构成的晶体

研究者制备了一种称为金属–有机框架（MOF）的材料，由铁和铝原子通过小的碳基分子连接组成。这些构件自组装成刚性、高孔隙率的三维网络，类似显微尺度的蜂巢结构。研究团队在常用溶剂中采用简单的烘箱工艺合成出黄色纳米级晶体，该新型 MOF 被命名为 Fe–Al@BTC。通过一系列表征技术，包括 X 射线衍射和电子显微镜，证实晶体具有良好的有序性、丰富的微孔，以及均匀分布的铁、铝、碳和氧原子。这种精细的构架赋予材料极大的内表面积，为化学反应和电荷存储提供了空间。

它如何存储与传输电荷

为了评估 Fe–Al@BTC 在储能器件中的可行性，团队研究了它与光及电路的相互作用。光学测量表明该晶体能吸收可见光，并表现出相对较小能隙的半导体特性，意味着电子更容易被激发并移动。碱性溶液中的电化学测试显示该材料主要传导负电荷载流子，将其归类为 n 型半导体，且具有很高的可移动电荷密度。作为三电极测试池中的电极时，该 MOF 显示出强超级电容器的特征：表面电荷转移电阻低、与电解质界面稳定，并兼具快速表面充放电与以铁原子为中心的较深层氧化还原反应。

像超级电容器那样存储突发能量

团队进一步将 Fe–Al@BTC 用作工作电极材料。在循环伏安实验中（在扫描电压同时记录电流），曲线呈现出宽阔且稳定的形状，表明具有高度可逆的充放电行为。在较慢的扫描速率下，周围液相中的离子有足够时间深入穿透 MOF 的微孔和介孔网络，最大化活性位点的利用。在这些条件下，材料达到了约 339 法拉每克的比电容，对超级电容器电极来说表现优异。随着电压扫描速度加快，电容略有下降，这与离子迁移开始跟不上变化的电场相一致。总体而言，多孔结构、导电通路和铁的氧化还原化学的结合，使 Fe–Al@BTC 能够快速存取与释放电能。

阻止有害细菌蔓延

除了能量存储外，研究者还测试了该 MOF 是否能够抑制细菌生长。他们将环境来源的 Bacillus 属细菌培养物暴露于不同浓度的 Fe–Al@BTC。通过液体培养的光密度测量和传统的平板抑菌圈测试（测量样品周围的透明“杀菌圈”），发现随着 MOF 浓度增加，细菌生长显著下降。在 600 毫克/升时，材料在两种测定中均完全抑制了生长。作者提出多种作用机制可能同时发挥作用：MOF 表面的带电基团吸引并破坏细胞壁，铁与铝中心可能与关键细胞成分发生结合，晶体缺陷可能产生促进细胞膜和蛋白质损伤的活性化学物质。

窥探原子尺度的相互作用

为将结构与功能联系起来，团队借助计算机模拟。量子化学计算展示了有机连接体与金属中心如何组合，形成相对较小的最高占据与最低空位电子态之间的能隙，从而支持观察到的半导体与氧化还原行为。随后的分子对接模拟模拟了 MOF 片段与 Bacillus 细菌一种关键酶的相互作用。模拟的复合体通过氢键、电静力吸引和疏水接触紧密结合，暗示 MOF 除了损伤细胞包膜外，还可能干扰重要的生物化学机器。这些理论见解补充了实验室测量，有助于解释该材料兼具能量与抗菌双重性能的机理。

对日常生活可能意味着什么

通俗地说，这项研究表明一种易于制备的单一晶体既可作为快速且寿命长的超级电容器电荷存储体，也可作为强效的水中有害细菌杀灭剂。由于 Fe–Al@BTC 基于相对丰富的金属并可通过简单方法合成，它有望用于低成本设备，例如既能存储太阳能电池产生的能量又能同时帮助消毒与其接触的水流。尽管仍需进一步扩大生产规模、优化合成工艺并评估实际应用中的安全性，这种多功能材料展示了未来一种智能固体同时解决能源需求与环境健康问题的可能性。

引用: Abdelnasser, E., Alaraj, A.M., Abdelfatah, M. et al. High-performance Fe–Al@BTC MOF for supercapacitor and antibacterial applications: experimental, DFT, and molecular docking studies. Sci Rep 16, 11359 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43631-4

关键词: 金属有机框架, 超级电容器, 抗菌材料, 能量存储, 水净化